设计“充电站” | 方案器件怎么选?仿真工具又怎么选?

充电时间是消费者和企业评估购买电动汽车 (EV)的一个主要考虑因素。为了缩短充电时间，业界正转向采用直流充电桩 (DCFC)。DCFC绕过电动汽车的车载充电器，直接向电池提供更高的功率，从而大大缩短充电时间。之前我们分享了高效率快速直流充电桩设计指南，今天将为大家带来安森美(onsemi)快速直流充电桩方案。

基于 SiC 的模块

安森美提供专用于DCFC的现成PIM系列，其具有EliteSiC 900V和1200V击穿电压额定值。这些模块支持半桥和全桥拓扑结构，采用F1和F2封装，具有极低的RDSons（3至40mΩ，具体取决于配置）。如果OEM有更具体的应用要求，我们还可以提供定制模块。

安森美的1200V EliteSiC模块产品组合包括两款基于M3S的新型工业级半桥功率集成模块(PIM) (NXH003P120M3F2PTHG/NXH004P120M3F2PTHG)，它们采用标准F2封装，具有出色的Rds(on)。M3S技术专为高速开关应用而开发，在开关损耗、Coss和Eoss方面具有优异的品质因数。这些特性有助于提高系统效率和功率密度，设计人员可以选择更小的无源元件，系统散热要求也得以降低。

例如，在DCFC应用中，它们可用在三相功率PFC升压级的前端，采用二电平或三电平、单向或双向拓扑结构实现，让设计人员能够实现出色的性能，而无需昂贵的氮化铝(AlN)衬底。较低的开关损耗和导通损耗以及结温的降低带来更高的效率，进而使产品更加可靠，寿命更长。此外，安森美正在开发多种使用M3S技术平台的新的SiC PIM产品，以进一步为设计人员的系统设计提供更大的灵活性。



图9.1200V EliteSiC M3S MOSFET和模块

某些应用需要优越的热管理。为此，安森美提供涵盖广泛SiC MOSFET和SiC 二极管产品组合的EliteSiC分立器件。这些器件采用专利端接结构，坚固耐用。这种方法减少了系统的散热需求，降低了系统复杂性，减轻了系统重量，同时延长了设备的使用寿命。

NCP51561是一款5kV/9A隔离式高速双通道MOS/SiC驱动器，性能优异，能够在恶劣的工作环境中实现更高的系统级可靠性。安森美的隔离驱动器产品组合非常丰富，不仅强大耐用，而且集成了必要功能。这些驱动器支持非常快的开关转换，以尽可能提高高频效率。安森美还提供集成了许多保护功能的单通道隔离栅极驱动器，例如NCD57000\NCD57100。

安森美的SiC MOSFET驱动器技术非常灵活，可在−5/+18V以及更常见的 0/+15V电平下运行。为了简化设计和降低系统成本，OEM可以选择使用 0/+15V，但这样做会降低效率。为了获得更高的效率和稳健性，OEM希望使用−3/+18V。我们建议对于新型第三代M3S EliteSiC MOSFET和EliteSiC功率模块采用−3V/18V，以实现更低的导通损耗、Eon损耗和Eoff损耗。

安森美的高驱动电流隔离驱动器产品组合非常丰富，OEM可以根据自己的应用需求选择最合适的驱动器。这些驱动器具备多种安全特性，可以适应行业不同的封装标准，实现高效的集成和灵活的设计。安森美在模块市场上积累了丰富的经验，并且持续投资以增强封装技术。

我们通过PIM支持广泛的配置，以实现模块化的设计方法。虽然IGBT和混合实现方案仍在使用，但基于SiC的功率模块正迅速成为DCFC充电应用的首选方案。安森美也为选择使用分立器件自行设计架构的OEM提供必要的器件。

我们还提供一整套满足DCFC需求的电源、模拟、感测、保护和连接器件。例如，直流充电桩必须支持充电桩和车辆之间的各种有线和无线通信协议。安森美产品组合支持主要的行业核心标准和可选标准。例如，CHAdeMO采用CAN总线，而CCS使用PLC作为总线。OEM可以选择支持功率级内的其他接口（如RSL485）和外部通信（如蓝牙BLE、Wi−Fi4/6、LTE、RF）。



图10.25kW DCFC模块化参考设计

（进一步了解安森美25kW DCFC模块化参考设计）

我们是为数不多的拥有从晶圆到模块的全整合供应链的SiC制造商之一。安森美从内部原始晶圆制造和封装开始，生产满足最高质量标准的功率器件。此外，安森美还以出众的运营和快速响应能力而闻名。



图11.安森美的完整端到端供应链

安森美拥有专门的专家应用团队，为全球电动汽车充电系统设计提供SiC驱动器优化和系统方案专业知识。安森美提供丰富的参考设计和硬件，让客户可以快速评估驱动器并加速应用开发。凭借这些资源，我们已准备好帮助 OEM找到适合其应用的理想架构和器件。

系统级仿真工具

正如我们之前所述，三相功率因数校正(PFC)拓扑结构（也称为有源整流或有源前端系统）是为DCFC高效供电的关键。新的Elite Power仿真工具通过创新的PLECS模型实现了技术突破，对于硬开关和软开关应用（例如DC-DC LLC和CLLC谐振、双有源桥和相移全桥等）都适用。该工具能够精确呈现电路在使用我们的EliteSiC产品系列时的工况。

Elite Power在线仿真工具支持在开发周期的早期阶段进行系统级仿真，为复杂的电力电子应用提供有价值的洞察和信息。仿真工具能够精确呈现电路在使用我们的EliteSiC产品系列时的工况，包括EliteSiC技术的制造边界工况。

特性

适用于硬开关和软开关仿真的PLECS模型

涵盖DC−DC、AC−DC、DC−AC应用，包括32种电路拓扑结构

损耗和热数据绘图

采用灵活设计并快速提供仿真结果

基于应用和拓扑结构的产品推荐功能

图12.Elite Power仿真工具

PLECS模型自助生成工具赋予了电力电子工程师创建定制化高保真系统级 PLECS模型的能力和自由度。您可以直接在自己的仿真平台中使用模型，也可将模型上传到ElitePower仿真工具进行仿真。

特性

适用于硬开关和软开关仿真的PLECS模型

自定义应用寄生参数根据用户指定的应用电路寄生参数进行调整，可显著影响导通损耗和开关能量损耗

高密度宽表根据用户指定的电气偏置和温度条件进行调整，用于导通损耗和开关能量损耗数据。

边界模型在产品的典型条件和边界条件下有效，使用户能够跟踪在导通损耗和开关能量损耗处于最差、标称和最佳制造条件下的应用性能。

图13.PLECS模型自助生成工具



图14.如何选择Elite Power仿真工具和PLECS模型自助生成工具

先进的充电架构

理想情况下，电动汽车在非高峰时段充电。这会大大降低电力成本，并减少高峰时段电网的负荷，避免造成停电。

为了实现这一目标，直流充电桩需要与储能系统 (ESS) 和太阳能发电系统集成。ESS 在非高峰时段充电，储存电力以供白天使用。通过安装太阳能电池板以在白天发电，可以减少对 ESS 电力的消耗，从而减轻 ESS 的负荷。在这种配置中，DC/DC 转换器可以连接到高压总线来为电动汽车充电。



图15. 由可再生太阳能电池板和储能设施供电的快速超级充电桩

安森美致力于在供应链的所有层面实现可持续发展。对于希望采用此类先进架构的 OEM，安森美可以帮助他们以高效、安全、可靠、可持续的方式集成合适的技术。

快速和超快速直流充电是电动汽车的未来。快速直流充电桩能够将充电时间缩短至不到一小时，这将为电动汽车开辟一系列全新的应用领域和使用场景。

总结

通过了解影响器件选择的关键设计考虑因素，工程师可以优化大功率直流充电桩架构，实现更高的效率、可靠性和性能。随着碳化硅和功率集成模块等技术的进步，工程师可以更快速地评估和设计复杂系统，而无需作出妥协。由此，OEM 可以迅速且经济高效地满足市场的充电需求。而且，OEM 可以与合适的合作伙伴合作，通过集成储能系统等新技术来创建更具可持续性的基础设施，从而不断提升产品的质量和实用性。

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